惯性这个词语，日常生活中我们经常遇到。 　　 比如，一列火车疾驰而来，即便它已经开始刹车，但也不能立刻停下来。 　　 因为我们知道火车具有惯性。 　　 并且在普通人的认知中，物体的质量越大，则它的惯性越大。 　　 然而，很少有人真正思考过，惯性的本质是什么？为什么质量可以衡量惯性的大小？ 　　 这是因为我们受到的教育，并不是从头开始的，而是预设了很多内容。 　　 物理学严格算起来，应该是从伽利略开始的。 　　 古希腊的那帮人，他们更注重的是思想的辩论，而不是具体的实验。 　　 比如关于运动。 　　 古希腊哲学家上来就研究运动的本质，讨论物体为什么会运动。 　　 但是却不去研究物体到底是怎么运动。 　　 说白了，他们不去研究过程，直接讨论结果。 　　 而伽利略不同。 　　 他是第一个将理性思维和实验结合起来的人。 　　 他通过实验去研究物体的运动过程，从而发现规律。 　　 其中惯性定律就是他最重要的发现之一。 　　 伽利略认为物体的静止状态和直线匀速运动状态，是完全等价的。 　　 并且他给这种状态起了一个名字，就叫：惯性系。 　　 什么意思呢？ 　　 比如人在高铁上，如果把窗户都关上，假设轨道非常平滑，高铁没有一点颠簸。 　　 那么其实人是感觉不到自己在运动的。 　　 在没有其他参照系的情况下，是不可能分清匀速直线运动和静止的。 　　 而所谓的惯性，就是物体保持这种状态的能力。 　　 并且基于惯性系的概念，伽利略又发现了一个重要定律。 　　 那就是相对性原理。 　　 说的是在任何惯性系中，力学定律总是保持不变。 　　 什么意思呢？ 　　 你在高铁上做自由落体实验，和你在地面静止时做自由落体实验。 　　 两种情况下，看到的物体运动过程完全一样。 　　 小球都是笔直下落，测出来的加速度也完全一样。 　　 这就是相对性原理。 　　 它非常符合人类的直觉体验，而且很容易用数学公式表达出来。 　　 因此它和惯性定理一样，都是公理、公设。 　　 意味着你可以去尝试证伪，但是没有办法证明。 　　 牛顿完全继承了伽利略的两大力学定律。 　　 在此基础上，提出了牛顿力学三大定律。 　　 所以，牛顿说他站在巨人的肩膀上没有错，伽利略就是那个巨人。 　　 牛顿是继承而不是生搬硬套。 　　 首先，他给惯性定律下了一个严格的定义。 　　 即一个质点或者物体在不受外力的情况下，它将保持静止或者匀速直线运动。 　　 这就是牛顿第一定律。 　　 牛顿就是牛顿，和普通人不一样。 　　 他没有满足既有的定律，而是想的更深一步。 　　 那物体要是在惯性运动的时候，突然给它施加一个力会发生什么。 　　 这就是牛顿第二定律。 　　 即力会改变物体的运动状态，产生一个加速度。 　　 用数学公式表达就是F=ma。 　　 不管是后世还是现在，只要是刚接触物理学的人，学到的第一个物理公式恐怕都是它。 　　 看起来非常简单，小学生都会算。 　　 但会算没用。 　　 其实你并没有思考过公式背后的深刻道理。 　　 牛顿当时在研究第二定律的时候，他就在思考一个问题。 　　 为什么同样大小的力施加在不同的物体上，产生的加速度会不一样呢？ 　　 聪明的你立刻回答：因为质量m不一样啊。 　　 恭喜你，答错了！ 　　 因为当时牛顿还没有推导出这个公式。 　　 牛顿认为是惯性的原因。 　　 物体的惯性总是让它倾向于保持原有的运动状态。 　　 即物体的惯性是一种反抗外力的能力、固有属性。 　　 惯性越大，反抗能力就越强；反之，惯性越小，反抗能力就越弱。 　　 而惯性的大小，可以用【惯性质量】来表示。 　　 也就是牛顿推导的F=ma中的m。 　　 注意！ 　　 重点来了。 　　 这个惯性质量m并不是我们常说的质量。 　　 什么意思呢？ 　　 女神身材非常好，身高170cm，重量只有50kg。 　　 我现在在后面推动女神，会给女神产生一个加速度。 　　 我们代入公式F=ma时，m用的就是女神的重量，也是50kg。 　　 但是！ 　　 这是两种完全不同的质量，只是恰好数值相等而已。 　　 女神的重量是引力质量，而不是惯性质量。 　　 惯性质量是物体抵抗外力的能力，而引力质量是物体之间产生引力的原因。 　　 它们的物理意义完全不一样。 　　 这二者绝对不能混为一谈。 　　 至于为何它们俩数值相等，至今都是未解之谜。 　　 而惯性质量和引力质量之间的关系，则是产生广义相对论的核心。 　　 （好了，可以拿去装逼了。） 　　 牛顿在发现完善第二定律后，很自然地就能解释一个问题了。 　　 即为什么物体向上抛出后，又会落到地面。 　　 显然，物体是受到了力的作用。 　　 不然的话，物体应该是一直向上运动才对。 　　 因此，他认为是地球给物体施加了一个力。 　　 而且根据牛顿第三定律，物体之间的力是相互作用的。 　　 所以，牛顿就把这种力命名为“万有引力”。 　　 是万有引力让物体产生了一个加速度，从而改变了运动状态。 　　 并且牛顿还直接给出了万有引力的计算公式，即万有引力定律。 　　 好了，现在问题来了。 　　 牛顿创造了如此辉煌的物理学大厦，他反过头一看，发现还存在一个问题。 　　 即作为他力学理论根基的第一定理和第二定律，有一个限制条件。 　　 那就是它们必须在惯性系下才能成立。 　　 那么惯性系该怎么去定义呢？ 　　 聪明的你肯定会说：在不受外力的情况下，静止或者匀速直线运动的参考系就是惯性系。 　　 那我就问：怎么样才算不受外力呢？ 　　 聪明的你回答：物体静止或者保持匀速直线运动就是不受力。 　　 我又问：怎么才算物体静止或者保持匀速直线运动呢？ 　　 聪明的你又答：物体不受力就...... 　　 看出来了吧，这是一个循环论证的问题。 　　 惯性系本身根本没有办法定义。 　　 而且在现实中我们也找不到惯性系的例子。 　　 因为地球在转动（转动是加速运动，不符合惯性系定义），太阳在转动，世界上根本没有惯性系。 　　 牛顿一看，那这肯定不行啊。 　　 我的地基必须无懈可击才行。 　　 于是，牛顿那绝世天才的大脑，突发奇想，定义出一个绝对空间！ 　　 他认为：绝对的空间，其自身特性和任何事物无关，处处均匀，永不移动。 　　 牛顿确实牛逼。 　　 他认为绝对的空间就是最大最好的惯性参考系。 　　 这非常符合人们的直觉。 　　 空间无处不在，而且空间不可能运动。 　　 这就是惯性系的定义啊。 　　 这下问题解决了。 　　 凡是相对于绝对空间静止或者匀速直线运动的参考系，它就是惯性参考系。 　　 凡是相对于绝对空间做变速运动的参考系，它就是非惯性参考系。 　　 这个定义让牛顿力学定律有了坚实的基础。 　　 在惯性系中，他的理论是成立的。 　　 那么在非惯性系中呢，牛顿也有妙招，吊的不行。 　　 他引入了【惯性力】来弥补理论的缺陷。 　　 这样自己的理论在非惯性系中，也是可以成立和使用的。 　　 还是举个高铁的例子。 　　 假设一个人在高铁座位的支架上放了一个小球。 　　 如果高铁忽然提速，做加速运动，加速度是x。 　　 那么这个人会立刻看到小球向后也做加速运动，加速度也是x。 　　 但是按照牛顿的理论，小球并没有受到前后方向的力啊，为什么会改变运动状态呢？ 　　 牛顿定律在非惯性系中遇到了困难。 　　 但是这难不倒牛顿，他假想出了惯性力这个东西。 　　 小球之所以会运动，是因为受到了惯性力的作用。 　　 其大小和火车的加速度，以及小球本身的质量有关。 　　 所以才叫惯性力，因为惯性而产生的力。 　　 虽然惯性力是一个假力，但它对物体的作用是真实的。 　　 至此牛顿的力学体系完美无缺，可以解释世间的一切力学现象。 　　 直到李奇维和爱因斯坦横空出世，发表了狭义相对论。 　　 证明了绝对空间并不存在！ 　　 （具体请看前面的内容，再写一遍怕你们说我水文。） 　　 牛顿关于绝对空间的定义是错误的。 　　 时空本是一体，是相对的。 　　 每个独立运动的物体，都有各自特有的时空。 　　 但是狭义相对论否定了绝对空间后，它也遇到了和牛顿同样的难题。 　　 没有了绝对空间，惯性系该怎么定义呢？ 　　 要知道，狭义相对论的第一条公理就是：在一切惯性参考系中，所有物理定律都是等价的。 　　 现在李奇维否定了绝对空间的存在，那他就同样解释不了惯性系的问题了。 　　 狭义相对论只能和牛顿力学定律一样，在惯性系中才是成立的。 　　 而现实中是没有惯性系的。 　　 任何地球上的物体都会受到万有引力的作用，从而产生一个加速度，成为变速运动。 　　 惯性系不存在！ 　　 基于一个不存在的东西，推导出来的理论当然就会受到质疑。 　　 这就是狭义相对论的第一个核心缺陷。 　　 此外，根据狭义相对论，任何信息的传递速度不可能超过光速。 　　 但是我们仔细研究万有引力公式就会发现，它并没有限制引力传播的速度。 　　 F=GMm\/R2。里面并没有涉及到时间参数。 　　 而且牛顿本人就是认为万有引力是瞬时传递的，远远大于光速。 　　 这显然与狭义相对论不符合。 　　 因此，万有引力定律需要改造。 　　 这就是狭义相对论的第二个核心缺陷。 　　 怎么解决呢？ 　　 真实历史上，爱因斯坦是从惯性力开始思考的。 　　 首先他自问，引力到底是不是瞬时力？ 　　 他认为这不可能，因为不符合狭义相对论。 　　 爱因斯坦对麦克斯韦方程组非常钟爱。 　　 他认为引力的传递也是需要媒介的。 　　 他把这种媒介称为“引力场”，就和电场一样。 　　 既然有了引力场，那么物体所受的引力就等于质量乘以引力场强度。 　　 把它和F=ma一对比，就会自然得到惯性质量和引力质量的比是一个常数。 　　 后来，有物理学家通过实验证明，这个常数是1。 　　 那么就意味着惯性质量和引力质量是相等的。（我们平常说的质量都是指引力质量。） 　　 这可不得了。 　　 当时的所有物理学家都不清楚这种相等背后的本质原理。 　　 他们无法从理论上给出证明。 　　 爱因斯坦也不懂。 　　 不过不懂没关系，爱因斯坦又发挥了他那超级敏锐的物理直觉。 　　 他大胆假设：惯性质量和引力质量是等效的。 　　 即广义相对论的第一个原理：等效原理。（是公理） 　　 【惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的。】 　　 什么意思呢？ 　　 举个例子。 　　 一个人站在一艘太空飞船的地面上。 　　 如果这时候飞船以加速度g（地球重力加速度）向上加速运动的话。 　　 那么这个人就会同时受到一个反方向的惯性力。 　　 惯性力把他牢牢地压在地上。 　　 惯性力大小就等于人的惯性质量乘以加速度g。 　　 由于人的惯性质量和人的引力质量是相等的。 　　 此时人受到的加速度又是g，和地球的重力加速度一样。 　　 那么这个人就会感受到，自己和在地球上静止一样。 　　 换句话说，宇宙飞船代替了地球。 　　 飞船加速运动产生的惯性力场代替了地球的引力场。 　　 这个人完全分辨不出自己到底是在地球上，还是在一艘以g加速度运动的飞船内。 　　 两者完全等效。 　　 加速度就是引力，惯性力和引力是等效的。 　　 这就是等效原理的内涵。 　　 有了等效原理后，爱因斯坦再处理狭相的第一个问题，惯性系问题，就非常简单了。 　　 因此有加速度的非惯性系，都可以被看成是惯性系处在了引力场之中。 　　 很好理解吧。 　　 因为加速度和引力场是等效的。 　　 因此，也就没有了所谓的非惯性系。 　　 任何非惯性系都可以看成是惯性系不变，引力场在变。 　　 这样的话，在处理任何非惯性系的问题时，就可以只研究引力了。 　　 这时，爱因斯坦就可以顺理成章地把狭义相对性原理，推广到所有参考系之中了。 　　 即广义相对论的第二个原理：广义相对性原理。（也是公理） 　　 【所有物理定律在任何参考系中都保持不变。】 　　 物理规律不再是只在惯性系中不变了。 　　 至此，广义相对论的两大原理建设完成。 　　 注意，这两个公理并不是胡乱提出的。 　　 而是爱因斯坦对物理定律进行深入的分析后，才大胆假设的。 　　 我们马后炮认为很简单，但那是一百多年前。 　　 接下来，就是爱因斯坦...啊不...李奇维，用这两个原理撬开广义相对论的大门了。 　　 也许聪明的你会问：开始做实验验证吗？ 　　 不！ 　　 做实验太low了，要做就做思维实验。